基于快速模糊C均值聚类算法的红外图像分割

 针对模糊C均值(FCM)聚类图像分割需要预先知道类别数及计算量较大的问题,提出了新的快速FCM改进方法。首先,利用边缘信息进行邻域搜索得到种子像素;通过区域生长快速获得区域分割类别数和对应的聚类中心值,并将图像分成确定类别的区域和未确定类别的区域;最后利用所得的聚类中心值和 FCM算法对未确定类别区域进行聚类。实验证明,本文提出的改进方法大大减少了计算量,显著提高了图像分割速度,而且由于聚类考虑了相邻像素点的关系,图像分割结果能够清晰地保留目标轮廓,提高了图像分割的质量。     

Optimized fuzzy C-means clustering algorithm for the interpretation of the near-infrared spectra of rocks

The rock near-infrared spectrum contains information of its composition and structure. The interpretation of rock near-infrared spectrum is one of the important approaches in the qualitative and quantitative analyses of the alteration minerals in rock. The rock near-infrared spectra are classified using optimized fuzzy C-means clustering algorithm, and the main mineral composition is obtained for different rock samples through the analysis of cluster centers. The minimum Spectral Correlation Coefficient is used as the objective function to classify the simulation data. In this study, the classification method was first tested for parameter setting using simulation data, which was the mixture of several standard mineral spectra quantified in terms of reflectivity in the near-infrared band. Classification accuracies under different fuzzy index values are compared. When the fuzzy index value is 1.5, the classification accuracy of the simulation samples is 83%. The initial values of different cluster centers were shown to affect the classification result. In the practical application, the initial values of cluster centers need to be rationally chosen based on the knowledge of mineral spectroscopy. This method is applied in the clustering analysis of the rock near-infrared spectra, which were also quantified in terms of reflectivity in the near-infrared band. These actual rock near-infrared spectra were measured by a spectrometer, while the classification results were compared with X-ray diffraction analysis to show the effectiveness of our algorithm. Our study has shown that, with the optimized fuzzy C-means clustering algorithm, the interpretation of rock near-infrared spectra can help us obtain information of the mineral composition and structure more effectively in terms of accuracy and speed. This method is suitable for the rapid processing of massive rock near-infrared spectra and may become an important technology in geological survey and geological prospecting.     

Gath-Geva联合模糊聚类的生菜近红外光谱聚类分析

生菜的新鲜程度是影响生菜品质的最重要因素之一,其主要取决于生菜的储藏时间,因此,对不同储藏时间的生菜进行准确鉴别具有重要研究价值。由于不同储藏时间生菜的近红外光谱数据具有差异性的特点,因而使用近红外为不同储藏时间的生菜进行鉴别分类是可行的。通过将联合模糊C均值聚类（allied fuzzy c-means, AFCM）中的欧式距离测度替换为指数距离测度从而提出了一种GG联合模糊聚类（Gath-Geva AFCM, GGAFCM）分析算法。GGAFCM通过迭代计算得到模糊隶属度值和典型值,再结合近红外光谱实现了对不同存储时间生菜的高效精准鉴别。以新鲜的生菜样本作为研究对象,使用傅里叶近红外光谱仪（Antaris Ⅱ型）每隔12 h对生菜样本采集漫反射光谱数据,光谱的波数范围介于10 000~4 000 cm-1之间。首先,通过主成分分析（principal component analysis, PCA）对采集到的1 557维生菜近红外光谱数据进行数据压缩将其降至22维,然后通过模糊线性判别分析（fuzzy linear discriminant analysis, FLDA）对降维后的近红外漫反射光谱数据的鉴别信息进行提取。设定鉴别向量数为2,即通过FLDA将22维的生菜近红外光谱数据转换为了2维数据。最后将模糊C均值聚类（fuzzy c-means, FCM）的聚类中心作为GGAFCM和AFCM的初始聚类中心,通过运行FCM,GGAFCM和AFCM完成对不同储藏时间生菜的鉴别分类,并对三种模糊聚类算法得到的聚类准确率、模糊隶属度、迭代次数进行分析。实验结果表明：在初始化条件相同的情况下,采用的GGAFCM算法与FCM和AFCM算法相比具有更高的鉴别准确率。在m=2的情况下,GGAFCM的鉴别准确率达到了95.56%,而AFCM的聚类准确率为91.11%。GGAFCM迭代4次达到收敛,而AFCM与FCM均需要8次迭代计算才能达到收敛。基于近红外光谱技术,通过GGAFCM结合PCA与FLDA算法可以高效快速且无损的完成对储存时间不同的生菜的准确鉴别分类,为生菜储存时间的准确、快速鉴别提供了实验依据和参考方法,具有一定的实际应用价值。     

基于PSO的二阶段光谱模糊聚类研究

在海量的天体光谱数据中利用无监督聚类学习方法将天体自动分类具有更加诱人的前景。针对当前聚类方法存在的缺点,提出一种高效的高维数据硬划分算法,在此基础上提出了一种分阶段模糊聚类方法。第一阶段,利用硬划分算法对数据聚类,克服了模糊聚类算法对初始值敏感的缺点。第二阶段,以第一阶段运算结果作为初始值,进行模糊聚类的,并将微粒群算法引入模糊聚类,从而保证了聚类结果的全局最优性。实验结果表明,该方法用于天体光谱聚类是可行的、有价值的。     

基于无监督可能模糊学习矢量量化的近红外光谱生菜品种鉴别研究

为解决模糊学习矢量量化(FLVQ)对噪声数据敏感问题,在无监督可能模糊聚类(UPFC)基础上提出一种无监督可能模糊学习矢量量化(UPFLVQ)算法。UPFLVQ用UPFC的隶属度和典型值来更新学习矢量量化网络的学习速率,计算类中心矢量。UPFLVQ 属于无监督机器学习算法,适用于无学习样本情况下的样本分类。研究了UPFLVQ用于近红外光谱生菜品种鉴别的可行性。采用FieldSpec@3型便携式光谱分析仪获取波长范围为350～2 500 nm的三种生菜样本的短波近红外光谱和长波近红外光谱,然后采用主成分分析(PCA)进行近红外光谱的维数压缩,取前三个主成分,累计可信度达97.50%,将2151维的近红外光谱压缩为三维数据。再运行模糊C-均值聚类(FCM)至迭代终止,并以FCM的类中心作为UPFLVQ的初始聚类中心,最后运行UPFLVQ得到隶属度和典型值以实现近红外光谱的生菜品种鉴别。同时,运行UPFC进行近红外光谱的生菜品种鉴别。实验结果表明：UPFLVQ和近红外光谱技术相结合的模型具有检测速度快,鉴别准确率高,对生菜不造成损坏等优点,可实现不同品种生菜的鉴别。UPFLVQ是将UPFC和FLVQ相结合的聚类算法,利用UPFLVQ建立近红外光谱的生菜品种鉴别模型时无需学习样本,适用于线性可分的数据聚类,为快速和无损地鉴别生菜品种提供了一种新的方法。     

模糊K-Harmonic-Kohonen网络的FTIR光谱数据聚类分析

食品的品种不同则其含有营养成分和功效存在差异,得到的傅里叶变换红外光谱也存在差异。为了准确的实现品种分类,设计了一种将傅里叶变换红外光谱与模糊聚类分析方法相结合的品种鉴别方法。在模糊Kohonen聚类网络(FKCN)基础上将模糊K调和聚类(FKHM)引入到Kohonen聚类网络的学习速率和更新策略中,提出了模糊K-Harmonic-Kohonen网络(FKHKCN)算法。FKHKCN利用模糊C均值(FCM)聚类的模糊隶属度计算其学习速率,以FKHM的聚类中心为基础通过推导计算得到FKHKCN的聚类中心,可以解决模糊Kohonen聚类网络方法对于初始类中心敏感而导致聚类结果不稳定的问题。FKHKCN作为一种模糊聚类算法,可实现傅里叶变换红外光谱数据的聚类分析。采用三种数据集：(1)采集产自四川的三种茶叶(优质和劣质的乐山竹叶青以及峨眉山毛峰)作为实验样本,样本总数为96。(2)两个品种(robusta和arabica)的咖啡样本。(3)三个品种(鸡肉、猪肉和火鸡)的肉类样本。首先对三个光谱数据集进行预处理,利用多元散射校正降低茶叶样本原始光谱数据集的散射影响,使用Savitzky-Gol...     

基于UMAP辅助的模糊C聚类方法进行太赫兹光谱识别

太赫兹(THz)具有低能性、瞬态性、波谱分析能力强的优点,在物质鉴别方面具有广阔的应用前景。现有的基于THz的物质鉴别方法,虽然取得了一定的效果,但是存在容易陷入局部最优的问题,从而导致识别精度不高。均匀流形逼近与投影(UMAP)作为一种非线性降维方法,其假设数据均匀分布在黎曼流形上,可以对具有模糊拓扑结构的流形进行建模。UMAP降维的过程是通过最小化两个拓扑表示之间的交叉熵,从而实现低维空间中数据表示的布局优化。传统的模糊C聚类方法(FCM)在聚类时,初始聚类中心往往随机给定,当初始聚类中心选择不恰当时,容易导致错误的聚类。为此,提出一种基于UMAP辅助的模糊C聚类算法,首先运用UMAP对输入的THz样本矩阵进行降维;再根据类与类之间距离最大化的原则,选择合适的初始聚类中心;最后利用模糊C均值聚类的方法进行聚类。所提出的方法不仅能够解决聚类过程中类与类之间过度拥挤的现象,而且能够反映出类别间的距离信息以便于给样本选择合适的初始聚类中心。为了验证提出的聚类方法的可靠性,运用太赫兹时域光谱技术对鲁棉研28、鲁棉研29、鲁棉研36、中棉28四种不同类型的转基因棉花种子进行了探测,利用基于U...     

基于递阶模糊聚类的混沌时间序列预测

提出一种新的基于递阶模糊聚类系统的模糊建模方法.目的在于通过一系列的步骤优化T-S模糊模型结构，实现非线性系统的建模和预测.首先利用最近邻聚类法初始划分输入空间，得到规则数及初始聚类中心，用模糊C均值算法(FCM)进一步优化聚类中心；然后利用加权最小二乘法估计模糊模型的初始参数，进一步利用带遗忘因子的递推最小二乘法优化结论参数.采用该方法对Mackey-Glass混沌时间序列进行预测实验，结果表明可以对Mackey-Glass混沌时间序列进行准确建模和预测，证明了本方法的有效性. 关键词： 递阶模糊聚类 模糊建模 混沌时间序列 最小二乘     

云环境下的高效K-Medoids并行算法

传统聚类算法K-Medoids对初始点的选择具有随机性,容易产生局部最优解;替换聚类中心时采用的全局顺序替换策略降低了算法的执行效率;同时难以适应海量数据的运算。针对上述问题,提出了一种云环境下的改进K-Medoids算法,该改进算法结合密度法和最大最小原则得到优化的聚类中心,并在Canopy区域内对中心点进行替换,再采用优化的准则函数,最后利用顺序组合MapReduce编程模型的思想实现了算法的并行化扩展。实验结果表明,该改进算法与传统算法相比对初始中心的依赖降低,提高了聚类的准确性,减少了聚类的迭代次数,降低了聚类的时间。     

广义模糊K调和均值聚类的近红外光谱生菜储藏时间鉴别

生菜的储藏时间是影响生菜新鲜程度的重要因素。为了快速、无损和有效地鉴别生菜的储藏时间,以欧式距离的p次方代替模糊K调和均值聚类(FKHM)中欧式距离的平方提出了一种广义模糊K调和均值聚类(GFKHM)算法并将该算法应用于鉴别生菜的储藏时间。以60个新鲜生菜样本为研究对象,采用Antaris Ⅱ近红外光谱分析仪每隔12 h检测生菜的近红外漫反射光谱,共检测三次,光谱扫描的波数范围为10 000~4 000 cm-1。首先用主成分分析(PCA)对1 557维的生菜近红外光谱进行降维处理以减少冗余信息,取前20个主成分,经过PCA处理后得到20维的数据。然后用线性判别分析(LDA)提取光谱数据的鉴别信息以提高聚类的准确率,取鉴别向量数为2,则LDA将20维的数据转换为2维数据。最后以模糊C-均值聚类(FCM)的类中心作为FKHM和GFKHM的初始聚类中心,分别运行FKHM和GFKHM计算模糊隶属度以实现生菜储藏时间的鉴别。结果表明,GFKHM的鉴别准确率能达到92.5%,FKHM的鉴别准确率为90.0%,GFKHM具有比FKHM更高的鉴别准确率。GFKHM的聚类中心比FKHM更逼近真实类中心。GFKHM的收敛速度明显快于FKHM。采用近红外光谱技术同时结合GFKHM,PCA和LDA为快速和无损地鉴别生菜储藏时间提供了一种新的方法。     

模拟蚂蚁觅食行为的乳腺钙化点边缘提取

针对计算机辅助乳腺癌诊断中钙化点的提取具有较大难度的问题,计算了乳腺数字图像中每个像素点的最大梯度值。首先按照等梯度合并的原则将像素点划分为像素组,按照等分整个梯度区间的原则给定初始梯度聚类中心,模拟蚁群觅食行为中学习机制,以概率选择的方式进行像素点组的聚类得到新的聚类中心,然后再以模糊C均值法(FCM)对得到的聚类进行优化,从而提取出属于钙化点边缘的像素点。实验证明,通过选择适当的参数,用此方法提取乳腺钙化点边缘的效果良好。     

基于空间信息的直觉模糊C-均值图像分割算法

针对模糊C-均值聚类算法的单一隶属度不能充分描述图像不确定性,且聚类过程中忽略像素空间关系的问题,提出一种基于空间信息的直觉模糊C-均值算法;该算法选取3×3的模板计算邻域像素灰度均值;并引入权重项,来控制灰度信息和空间信息各自所占的比重,同时用犹豫度更新直觉模糊集的隶属度函数;对常用标准图像的仿真结果表明,该算法能更好地保留图像细节信息,得到更加理想的图像分割效果。     

Clustering gene expression data analysis using an improved EM algorithm based on multivariate elliptical contoured mixture models

Clustering gene expression data is an important research topic in bioinformatics because knowing which genes act similarly can lead to the discovery of important biological information. Many clustering algorithms have been used in the field of gene clustering. The multivariate Gaussian mixture distribution function was frequently used as the component of the finite mixture model for clustering, however the clustering cannot be restricted to the normal distribution in the real dataset. In order to make the cluster algorithm strong adaptability, this paper proposes a new scheme for clustering gene expression data based on the multivariate elliptical contoured mixture models (MECMMs). To solve the problem of over-reliance on the initialization, we propose an improved expectation maximization (EM) algorithm by adding and deleting initial value for the classical EM algorithm, and the number of clusters can be treated as a known parameter and inferred with the QAIC criterion. The improved EM algorithm based on the MECMMs is tested and compared with some other clustering algorithms, the performance of our clustering algorithm has been extensively compared over several simulated and real gene expression datasets. Our results indicated that improved EM clustering algorithm is superior to the classical EM algorithm and the support vector machines (SVMs) algorithm, and can be widely used for gene clustering.     

GK可能C均值模糊聚类的白菜红外光谱分析

红外光谱分析是基于分子振动与跃迁理论的鉴别物质化学组成的技术.得到的光谱数据常常具有较高的维数和重叠度,这给后续的数据处理带来困难.为此提出一种GK可能C均值聚类算法(GKIPCM),引入了GK聚类算法的马氏距离测度与改进的可能C均值聚类算法(IPCM)的模糊隶属度与聚类中心更新方程,使样本的距离测度具有自适应性且避免...     

基于自适应模糊控制的节能装置研究

针对凹版印刷干燥设备,设计节能装置,该装置利用压缩机换热原理,对余热进行再循环利用。设计自适应模糊PID节能控制系统,完成对压缩机,调功器,变频器的实时控制。利用组态软件完成系统界面设计,人机交互简洁,操作方便。控制算法采用自适应模糊PID控制,依靠数据信息来调整模糊逻辑系统的参数,通过在线计算得到最佳控制器参数,抑制不确定性对系统的影响。将节能装置应用到凹版印刷机,实验数据显示,系统耗能减少,效率得到提高,达到节能目的,证明了节能系统的有效性,具有较强的应用价值。     

基于模糊递归小波神经网络的葡萄酒品质预测

针对葡萄酒品质预测模型难以建立的问题,提出一种基于模糊递归小波神经网络的葡萄酒品质预测模型。利用葡萄酒物理化学指标和品酒师打分作为模型的输入输出,采用梯度下降算法在线学习隶属函数层中心、宽度和小波函数平移因子、伸缩因子、自反馈权重因子以及输出层权值。仿真实验时,首先利用Mackey-Glass混沌时间序列进行了性能测试,然后利用UCI数据集葡萄酒品质数据对所建立的品质预测模型进行了验证。结果显示,与多层感知器、径向基函数神经网络等传统前馈神经网络相比,构建的模糊递归小波神经网络品质预测模型具有更高的预测精度,更加适合于葡萄酒的品质预测。     

引信高功率微波电磁辐射效应数据的FCM分析

高功率微波(HPM)电磁脉冲对引信辐照实验的数据分析是研究其电磁效应中的一个重要问题,数据分析的主要困难在于HPM电磁效应数据的高维复杂性。通过聚类算法设计,采用模糊C均值聚类(FCM)算法对某无线电引信的高功率微波电磁效应数据进行分析处理,利用其类内相似和类间相异的原则,经迭代运算,实现HPM对无线电引信效应数据的脉宽、峰值功率、功率密度等参数间的识别和分类。结果表明:采用FCM算法能够得到HPM对某引信的最佳聚类中心,即致使引信失效的最佳干扰阈值,证明了算法的有效性。     

A blind separation algorithm for underdetermined convolutional mixed communication signals based on time–frequency soft mask

This paper focuses on the separation for time–frequency (TF) overlapped communication signals received by the sensors. A novel blind separation strategy is proposed to improve the poor performance of signal separation by traditional algorithms for convolutional mixtures in underdetermined cases. Firstly, the number of sources and cluster centers are obtained in the sparse domain by combining the density peak clustering (DPC) with fuzzy c-means (FCM) clustering algorithm; Then the GMM clustering algorithm is applied to calculate the membership degree of the source signal in the mixed signals, so as to construct a TF soft mask matrix to more precisely carry out separation for TF overlapped signals. In this paper, the separation simulations are conducted with the digital modulation signals of 2ASK, BPSK, QPSK, etc. The results show that the algorithm proposed in this paper has better anti-aliasing and anti-noise performance than the comparison algorithms.     

模糊非相关鉴别C均值聚类的茶叶傅里叶红外光谱分类

茶是一种让人喜爱的健康饮品,不同品种的茶叶其功效和作用是不相同的。研究出一种可靠、简单易行、分类速度快的茶叶品种鉴别方法具有重要的意义。在模糊非相关判别转换(FUDT)算法和模糊C均值聚类(FCM)算法的基础上提出了一种模糊非相关鉴别C均值聚类(FUDCM)算法。FUDCM可以在聚类过程中动态提取光谱数据的模糊非相关鉴别信息。用FTIR-7600型傅里叶红外光谱分析仪分别采集优质乐山竹叶青、劣质乐山竹叶青和峨眉山毛峰三种茶叶的傅里叶中红外光谱,波数范围为4 001.569～401.121 1 cm-1。先用多元散射校正(MSC)进行光谱预处理,然后用主成分分析法(PCA)将光谱数据降维到20维,再利用线性判别分析(LDA)提取光谱数据中的鉴别信息。最后分别运行FCM和FUDCM进行茶叶品种鉴别。实验结果表明：当权重指数m=2时,FCM的聚类准确率为63.64%,FUDCM的聚类准确率为83.33%;FCM经过67次迭代计算实现了收敛,而FUDCM仅需17次迭代计算就可以实现收敛。用傅里叶红外光谱技术结合主成分分析、线性判别分析和FUDCM的方法能快速、有效地实现茶叶品种的鉴别分析,且鉴别准确率比FCM更高。     

茶叶傅里叶红外光谱的可能模糊K调和均值聚类分析

茶叶的品种不同,其有机化学成分含量往往不同,其功效也是不尽相同的,因此,研究出一种简单、高效、识别率高的茶叶品种鉴别技术方法是十分有必要的。中红外光谱技术是一种快速检测技术,在用中红外光谱仪采集得到的茶叶中红外光谱中含有噪声信号。为了对含噪声茶叶中红外光谱的准确分类以实现茶叶品种分类,将可能模糊C-均值聚类(PFCM)思想应用到K调和均值(KHM)聚类,设计出一种可能模糊K调和均值(PFKHM)聚类算法,计算出PFKHM的模糊隶属度、典型值和聚类中心。可能模糊K调和均值聚类能有效解决K调和均值聚类的噪声敏感性问题。用傅里叶红外光谱分析仪(FTIR-7600型)分别对三种茶叶(优质乐山竹叶青、劣质乐山竹叶青和峨眉山毛峰)进行扫描以获取它们的傅里叶中红外光谱。光谱波数区间是4 001.569～401.121 1 cm-1。先采用主成分分析法(PCA)将光谱数据压缩到20维,再采用线性判别分析(LDA)将光谱数据压缩到两维并提取鉴别特征信息。最后分别用K调和均值聚类和可能模糊K调和均值聚类实现茶叶品种分类。实验结果：当权重指数m=2,q=2和p=2时,KHM具有91.67%的聚类准确率,PFKHM聚类准确率达到94.44%;KHM迭代12次达到收敛,而PFKHM迭代11次就可以达到收敛。采用傅里叶红外光谱技术检测茶叶,用主成分分析和线性判别分析压缩光谱数据,再用可能模糊K调和均值聚类进行品种分类可快速、准确地实现茶叶品种的鉴别。